色散对光纤通信系统的影响与补偿

1、编 号：审定成绩：XXXXXXXXXXXXXXX届毕业设计（论文） TOC o 1-5 h z 色散对光纤通信系统的影响与补偿设计（论文）题目：_基于 Optisystem 运用学院名称：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：日期：XXX寿xxg色散对光纤通信系统的影响与补偿中文摘要色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤的传输容 量。对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散，在高速传输时偏 振模色散也是不可忽视的因素。随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽，劣化的程度 随数据速率的平方增大，因而对色散补偿的研究是一项极有意义的课题。色散是影响光纤通

2、信质量的一个主要因素，明啾光纤光栅色散补偿技术是一种实用的 色散补偿方式，因而成为目前光纤通信领域的一个研究热点。本论文以光纤传输通信系统 为研究对象，对系统的模型，仿真方法和系统的性能进行了深入的研究和探索，通过对仿 真结果的研究验证系统的性能，得到最佳系统参数，采取了较佳的方案。论文主要工作如下：1）介绍、分析布拉格光纤光栅的基本原理及其相关基础知识；2）分析研究色散对光纤的短程及远程传输信号的影响；3）利用OptiSystem仿真软件对色散对光纤传输的影响进行适当的仿真分析。4）利用OptiSystem仿真软件实现布拉格光纤光栅对光纤脉冲信号传输中色散的补 偿作用。关键词：光纤光栅，色散

3、补偿，时延，带宽，补偿距离，光通信系统，OptiSystem,仿真-1页-色散对光纤通信系统的影响与补偿ABSTRACT IN CHINESEDispersion is an important optical properties of the fiber, which causes optical pulse broadening, and severely limits the transmission capacity of optical fiber. Play a major role for actual use on a long haul single-mode fiber,

4、 chromatic dispersion, polarization mode dispersion in high-speed transmission, can t beignored. Pulses in optical fibers, the pulse width broadening the extent of degradation increases with the square of the data rate, and thus the study of the dispersion compensation is a very significant issue.So

5、 dispersion is an important factor that impact the optical communication. Chirped fiber grating is considered to be one of the most useful technology for high-bit-rate optical communication. Therefore, it has been a hot topic in recent years. The communication optical fiber transmission system, the

6、system model, simulation method and system performance conducted in-depth study and exploration of the performance of the verification system through the simulation results, the optimal system parameters, adopted a more excellent program.The research works in the dissertation are summarized as follo

7、ws:Introduction and analysis of the basic principles and basic knowledge of fiber Bragg gratings;Analyze the impact of dispersion on the short-and long-range transmission signal of the fiber;The use of appropriate simulation analysis the simulation OptiSystem software dispersive optical fiber transm

8、ission.Fiber Bragg gratings for dispersion compensation in optical pulse signal transmission of OptiSystem simulation software.Key words: Optical fiber grating, the dispersion compensation and time delay, bandwidth, compensation distance, optical communication system, OptiSystem, simulation-2页-色散对光纤

9、通信系统的影响与补偿目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 中文摘要 1ABSTRACT IN CHINESE 2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第一章绪论 4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 光纤通信的发展历程 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 光纤通信研究的目的和意义 5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 光纤

10、通信系统的概述 6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第二章光纤色散与布拉格光纤光栅的补偿 8 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 光色散与光时延 8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 光的色散、相速、群速和时延 8色散和时延 10 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 光纤光栅的色散 11 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 光纤光栅的色散特性及其应用

11、13第三章OptiSystem 系统仿真设计 16OptiSystem 系统简介 16OptiSystem 系统运用及仿真 18 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 系统一：光纤通信光信号传输中时域与频域的变化 18 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 系统二：光纤光栅对光信号传输中的色散补偿分析 21 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 系统三：光纤光栅色散补偿系统改进及数据分析 25 HYPERLINK l bookmark47 o Current

12、 Document 结论 27 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 附录 28 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 参考文献 29致谢 错误！未定义书签。-3页-色散对光纤通信系统的影响与补偿第一章绪论光纤通信的发展历程1966年，英国标准电信研究所英籍华裔科学家高银 （CharlesK ,C）博士和G.A.Hockham 详细研究了玻璃纤维的传输损耗后，首先提出了光纤通信的思想。当时，他们撰写的论文 Dielectric Fiber Surface Waveguide for Optical Fr

13、equencies发表在伦敦电气工程师协会会刊上，文中明确提出用石英玻璃纤维（简称光纤）传送光信号来进行通信。该论文 从理论上指出：光纤可实现超高速通信；光线中光能的损失可抵达20dB/km。止匕外，他还给出了光纤的原始构造，及其几何尺寸精度要求达到微米数量级。高银的 思想得到了当时英国邮电总局电信研究所和美国贝尔实验室部分科学家的认同。随后，他 们与美国康宁公司（Coming Glass Works ）合作，在1970年，研制成功了世界上第一根 损耗低于20dB/km的光纤，为光通信找到了一个优良的传输介质，光信通信在实用化的道 路上向前迈进了一大步，从此便进入了光纤通信迅猛发展的时代。光器

14、件是实现光通信系统的基石，为了适应光通信系统的快速发展，人们在光器件和 相关材料方面的开发研究上花费了大量的精力，并取得了丰硕的成果，光纤光栅是今年来 发展最快的光纤器件之一。1978年加拿大渥太华通信研究中心的 K.O.Hill等人首次在掺 错石英光纤中发现光纤的光敏效应，并将紫外光从光纤的端面注入光纤的芯层中，用驻波 写入法制成世界上第一只光纤光栅。1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的 G.Meltz 等人用244nm的紫外光双光束全息干涉形成干涉条纹，实现了光纤布拉格光撒（ FBG的 UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术取得了重大进展，光纤光栅进入实用阶段。 20世纪90年

15、代以来若干关键技术获得的了重要的突破，主要有：利用两束紫外光束的干 涉，通过光纤侧面在纤芯中写入光栅，增加了选择工作波长的自由度；利用相位掩膜技术 进行光栅写入，降低了对紫外光源相干性和稳定性的要求；利用高压载氢敏化技术对光纤 进行预处理，提高了普通商用通信光纤的光敏性，降低了光纤光栅的成本；特殊组分和配 比的专用光敏光纤，改善了光纤光栅的传输谱。随着这些光纤光栅制造技术的不断完善， 其应用的范围越来越广泛，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的各个领域都将 由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤通信领域中继掺饵光纤 放大器（EDFA之后的又一重大技术突破。光纤光栅是利

16、用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤 时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性（这种现象也成为光致折射率 变化效应）。比如上文中提到的用激光干涉条纹从侧面辐照掺错光纤，就可使其成为光纤 光栅，这种光栅在大约500 C以下稳定不变，而用5000 C以上高温可擦除。在纤芯内形 成的空间相位光栅，具作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或-4页-色散对光纤通信系统的影响与补偿反射镜。利用这一特性可制作出许多性能独特的光纤无源器件。这些器件具有反射带宽范 围大、附加损耗小、体积小，能与光纤很好的耦合，可与与它光器件兼容成一体，不受环 境尘埃影响等

17、一系列优异性能。光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是布拉格光栅(也 称为反射或短周期光栅)；二是透射光栅(也称为长周期光栅)。对光纤光栅的研究主要集 中在光栅的写入技术(尤其是非周期光栅的写入技术)、光栅的传输和传感特性以及光栅 的应用等几个方面。本论文研究的是光纤光栅在高速光纤通信系统中的色散补偿的应用。光纤通信研究的目的和意义纵观光纤通信的发展历史，我们可以清晰地看到，光纤通信中传输容量的扩大、传输 速度的提高、传输距离的延长都与光纤的损耗、非线性效应、色散效应紧密相连。这些都 是阻碍光纤通信向前发展的主要因素。损耗限制了站间距离的增加，非线性效应则会严重 地影响系统的传输质量，同时也限

18、制中继距离，而色散则造成脉冲展宽，引起码问干扰。随着掺饵光纤放大器、波分复用技术在光纤通信系统中的商用化后，损耗问题基本得 到了解决，色散便上升为首要限制因素。而光纤的色散还能够有效地抑制四波混频等非线 性效应，因此对光通信系统进行升级扩容的关键将集中体现在色散问题上。在高速率、超 长距离的大容量光纤通信系统中，也只有进行有效色散补偿才能满足通信系统进一步传输 的要求，因此，研究色散广利对于解决超长距离传输具有重大意义。色散补偿技术是未来 高速、大容量、长距离光纤通信系统中必不可少的重要技术。如今已经埋设的单模光纤大多是一阶色散零点位于1.31 pm波长处的常规单模光纤，在此波长上传输可以不考

19、虑一阶色散的影响。然而由于1.55 pm是石英光纤3个低损耗窗口中损耗最低的一个，而且掺饵光纤放大器也是工作在此波长上，这使得人们倾向于利用 1.55 pm处的波长，在此波长处常规光纤的色散系数约为17ps/(nm - km),因此色散问题就很突出。从长远来看，随着人们对信息量需求的增加，要求通信系统能够在较宽波段范 围内工作，波段资源的开发必然对色散补偿提出更高的要求。40Gbit/s系统的色散容限只有10Gbit/s系统的十六分之一，也就是说，这种容限与 信号速率的平方成反比。光纤色散对通信系统的新能影响主要表现在对传输中继距离和传 输速率的限制。当色散引起光信号脉冲的展宽大于0.3倍的输

20、入脉宽时，光接收灵敏度急剧下降、均衡困难、误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码艰巨，这就不得不付 出降低码速率、减少通信容量的代价。另外色散随着传输距离的增加将越来越严重，也必 须减小中继距离以保证通信质量。 特别是对于长距离、高速光通信系统来说影响尤为严重。 因此，色散效应成为了重要的研究课题之一。如何解决色散问题已引起全世界的关注，各国研究人员先后提出色散补偿方法有：色 散补偿光纤补偿技术(DCF Dispersion Comqensation fiber )、光纤光栅补偿技术(CFG Chirped Fiber Grating )、虚像相位整列法(VIPA, Virtual Ima

21、ged Phased Array )、光-5页-色散对光纤通信系统的影响与补偿纤孤子传输(Fiber , Soliton Transmission )、中点谱反转法(MSS Mid-Span Spectral Inversion )、色散支持传输(DST Diapeision Supported Transmission )、平面光路法 (POC Planar Optical Circuit )、预P啾补偿技术(per-chirping )等等，这些方法各 有优缺点。色散补偿光纤补偿技术早在1980年有Lin等人提出，如今它已经成为应用十分广泛 的补偿技术，已经大规模地商业化制造和生产。色散补

22、偿光纤是无源器件，可放在传输网 中的任何位置，使用灵活、方便、可靠。但在器件小型化和加大传输距离方面有明显不足： 损耗大、非线性强；为了实现对不同信道的补偿，必须采用复杂剖面结构的色散和斜率同 时补偿光纤，增大了工艺难度和成本。1986年，Ouellette 首次提出了采用明啾光纤光栅对光纤的色散进行补偿。1994年J.A.R Williams等人进行了线性明啾光纤光栅色散补偿的10Gb/s100km传输系统，首次论证了切趾对改善光纤光栅时延特性的作用。光纤光栅补偿法特点是器件小型化、损耗低、 对偏振不敏感、色散补偿量大、反射率高以及反射带宽宽等；而且光栅体积小，可以很容 易安装在现有传输系统

23、中，很方便地进行全光通信的一维集成；而且它的工艺简单，造价 不高，还可以根据传输距离灵活地设计我们所需要的补偿量，因此，光纤光栅最具有优势。光纤通信系统的概述光纤通信作为现代通信的主要通信方式，在现代通信网中起着举足轻重的作用。随着 社会的不断进步，通信向大容量，长距离方向发展是必然趋势。光通信是以电通信发展而 来的，是成熟的电通信技术与先进光子技术的结合，是利用光作为信息载体，以二氧化硅 为基本原材料来传输携带信息的光波达到通信的目的。由光发射机、光纤与光接受机组成。光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒 介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤系

24、统可分为三个基本单元：光发射 机、光纤和光接收机。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信 号送入光纤的传输装置组成。光源是其核心部件，由半导体光二极管LED或者激光二极管LD构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信 号恢复电路组成。光发射机光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源、 无源光器件，连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光 分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后， 因光纤衰减产生的光功率减弱。光纤通信系统可以根据系统所使用的传输信号形式、传输光的波长

25、和光纤的类型进行 不同的分类。按传输信号的不同，光纤通信系统可以分为：模拟光纤通信系统、数字光纤 通信系统。按波长和光纤类型分类，光纤通信系统分为四类：短波长(0.85 pm左右)多模光纤通信系统；长波长(1.31 nj)多模光纤通信系统；长波长(1.31 m单模光纤通-6页-色散对光纤通信系统的影响与补偿信系统；长波长（1.55 m n）单模光纤通信系统。光纤通信与其他通信手段相比，其特点在于：频带宽，通信容量大；损耗低、中继距 离长；无用音干扰，保密性好；适应能力强、体积小、重量轻、便于施工与维护、原材料 来源丰富，价格低廉。虽然光纤还存在光放大难，电力传输困难，纤芯质地脆弱，弯曲半径不宜

26、太小，机械 强度低等一些缺陷，但这些问题都不是严重的，随着科技的发展这些问题将会一一获得解 决。随着人类社会发展到信息社会对声音、图象和数据等信息的交流量非常大。以往的通 信手段已不能满足人们的需要，而光纤通信以其通信容量大、保密性能高、体积小、重量 轻、原材料资源丰富、造价低廉、施工手段多样、灵活、方便、无再生中继距离长等一系 列优点。其应用领域普及通信、交通、工业、医疗、教育、航天航空和计算机等各个行业， 并向着更广更深的层次发展。由于光纤损耗低、通信容量大、直径小、重量轻、不导电、不短路和敷设容易等优特 点，现广泛运用于公用电信网、局域网、不同网络层面、专网及其危险环境下的通信线等。 基

27、于社会的发展和需要，光纤通信系统也正向超高速、超大容量波分复用（WDM系统发展，并逐渐步入全面光联网；同时为了适应干线网和城域网的不同发展需要，开发新型光 纤是必经之途，目前已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光纤（G.655光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。本章小结本章是论文的绪论部分，主要对光纤通信系统的发展历程，研究意义和基本概述等做 了简要的介绍，阐明了论文研究的理论背景和实际研究的目的意义。-7页-色散对光纤通信系统的影响与补偿第二章光纤色散与布拉格光纤光栅的补偿纵观光纤通信的发展，损耗与色散一直是长期阻碍光纤通信向前发展的主要因素。损 耗限制了站间距的增加，而色散则造成脉冲展宽

28、，引起码问干扰。当码速小于5Gbit/s时, 传输距离的限制主要由光纤的损耗决定。若码速超过6Gbit/s ,则色散成为决定光纤通信系统性能优劣的主要因素。由于单模光纤的损耗主要是由瑞利散射所引起，而瑞利散射光 强正比于1/ 4,因此当单模光纤的工作波长从1.3 pm移向1.55 pm波段时，其损耗就从 0.4dB/km降到0.2dB/km ,由此就得到最低损耗窗口，使光纤通信的中继距离得到扩大。 尤其是近年来掺饵光纤放大器（EDFA的开发成功和实用化，它工作于 1.55 pm波段，可 在约35nm宽范围内提供达40dB的增益，较好地解决了光纤通信中的损耗问题，使人类向 实现超高速、大容量、长

29、距离的光纤通信又迈出了坚实的一步。本文对光纤通信系统研究主线就是如何有效地控制色散，使信号在高码速，长距离传 输中不失真地传输到接收端。在光纤通信系统中，信息是通过编了码的光脉冲序列在光纤 中传输的，光脉冲的宽度由系统比特率 B决定。如果脉冲扩宽到指定的比特隙（Tb 1/B） 之外，就会与探测过程相互干扰并产生误码。当用光纤放大器补偿光纤损耗时，L超过数千千米，色散问题变得相当严重。因此，光纤色散成为限制光纤通信系统传输性能的主要 因素之一。光色散与光时延光的色散、相速、群速和时延不同频率（波长）的光在同一个介质中的折射率不同，这种光在介质中传播时传播速度（折射率）随频率不同而变化的现象称为色

30、散。 色散通常是由于材料的不同特性引起的， 实际上主要是指材料色散。在真空中，所有频率的光（电磁波）都以相同的速度 c传播，在各向同性介质中，不 同频率的光的传播速度不同。理想的单色光以速度c/n沿z轴传播，n为光在这种介质中的折射率。单色波列可以表示为：A A0 cos（ t kz） A0 cos （t z/ ）（2.1.1 ）其中，为光的角频率，k=2：t/人为光在该介质中的波数，入为光在该介质中的波长。这 里的速度u实际上表示的是 光的等相位面在介质中的传播速度，称为相速度（简称相速），-8页-色散对光纤通信系统的影响与补偿一般用p来表示，可见：p /k(2.1.2 )考虑最简单的情况，

31、假设非单色光是由两个频率分立的单色波构成，两者均沿z方向传播，振幅均为A0,频率为i和2,而且相差不大，它们叠加后的波列为：A 2A0 cos( tkz)cos( t kz)(2.1.3 )其中 (12)/2；( 12)/2； k (ki k2)/2；k (ki k2)/2。式中的第一项形成缓变包络，第二项形成高频载波。一般来说，低频包络向前的移动速度和高频载波向前移动的速度是不同的。高频载波的速度速度即前面提到的相速度p,它是高频载波的等相面向前的推移速度。低频包络的移动速度称为群速度，用g表示，是低频包络在空间向前的移动速度。g可见，同一束光有两个传播速度，一个是相速，一个是群速，由于光的

32、频率很高，高 频载波的相位变化很快，而能量主要集中在波包上，因此，实际测量得到的是波包在两点 之间的传播时间，而不是高频载波的传播时间。通常，称波包在介质中传播单位长度的距 离所需要的时间为群时延，用P来表示。因此，在实验中测量的光信号通过单位长度的传 播时间为群时延。所以(2.1.3 )式可以变为：A 2A0 cos(t z/ )cos( (t z/T)(2.1.4 )其中，第一个余弦函数表示波包的移动；第二个余弦函数表示载波的移动，因此有D /k , a / k 0 p g实际的准单色波可以看作由无限多频率在附近、A范围内连续分布的单色波组成，其合成波也是由载波和慢变包络组成，这样的包络通

33、常称为波包，波包的移动速度即群速 度，波包中振幅最大的地方时能量最集中的地方，群速度(简称群速)代表了能量的传播 速度，也就是信号的传播速度。群速可表示为：g d /dk(2.1.5 )上式即材料中光的群速度表达式。可见，波包在介质中通过单位长度距离需要的时间 为：1/ g d /dk(2.1.6 )其中，即群时延，简称时延。色散对光纤通信系统的影响与补偿色散和时延同样，光在光纤中传输时也会存在色散，光纤中一般用传播常数B来表示前面的波数 k, 即在光纤中，g d /d 。时延。是波长入的函数，即()，则在光纤中的时延为：()1gd d1 dc dk0(2.1.7 )其中，k0 2 / o /

34、c , 0为真空中的光波长，c为真空中的光波。式中利用了dk0彳1d 0。不同速度的信号传输单位长度的距离需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时 延上的差别称为时延差，用来表示。当光在确定的介质中传输时，时延差可由信号中的不同频率成分引起，也可由不同的模式成分引起。对单模光纤，主要是不同频率成分引 起的时延差。时延差使得沿光纤传输的光脉冲信号随时间的增加而加宽。时延差越大，光 脉冲展宽越严重，因此，常用时延差来表示光纤色散的严重程度。若光纤中传输的某一信号的中心频率为0,带宽为 ，对应的波长间隔为0 (指d0 d-0真空中的波长)，也相当于光源的带宽，光纤能同时传输很多信号，这些信号带宽很

35、大, 但就某一信号来说，带宽则不大，因此，在这一带宽内，时延差(相当最大时延差)为:(2.1.8 )利用(2.1.7)式可以得到：(2)( -2二)02cl2 do0d 0)0(0 2cd 2)(2.1.9)光纤的色散通常用色散系数 D来表示，它定义为单位长度光纤上单位波长间隔内的平 均群时延：(2.1.10 )D的单位为ps/(nm - km)0可见，只要知道了光纤的色散系数，就可以计算出一定长度 的光纤时延。与D的关系为：(2.1.11 )其中，0为信号带宽。例如，对于1310nm的光，通常光纤的色散接近为 0,但用于传输1550nm的光时，就会有一个大约 D=17 ps/(nm - km

36、)色散。-10 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿光纤光栅的色散通过前面对光及光纤色散和时延的分析，我们了解了时延和色散的基本概念，但不能 用前面的公式直接来分析光纤布拉格光栅的时延和色散。光通过光纤布拉格光栅后，反射 光和透射光也存在时延和色散，可以用类比的方法来分析光栅的时延和色散。下面讨论布 拉格光纤光栅的反射时延。光纤的折射率在某些波长的光的照射下，将发生永久性的变化，这就是光纤的光敏特 性。依照这个特性，将单模光纤的纤芯暴露于光强周期性变化的紫外光源下，就可以得到 折射率受调制的光纤光栅。布拉格光纤光栅的折射率受到周期性调制，其原理图2.2.1、2.2.2如下：折射率方程可以表示为：

37、2 n(x, y,z) n(x,y,z) n(x, y, z)cos(z)(2.2.1 )其中n(x, y,z)为纤芯中的平均折射率系数，n(x, y,z)为折射率的调制系数，是布拉格光 栅的周期。在每个周期的折射率变化处都会有一小部分入射光发生反射。当强耦合模式发生时， 某特定波长的反射光就会汇聚成一强反射光，这就是布拉格条件，这个发生发射的特定波 长为布拉格波长。只有满足布拉格条件的波长才会产生强反射，入射光的反射率将在布拉 格波长处达到峰值。事实上，除了相位匹配的布拉格波长处会发生反射以外，布拉格光栅 对其他波长的入射光相当于是透明的。光经过光纤光栅时，光在光栅的不同位置被反射，所以，光

38、经过光纤光栅反射或透射-11 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿时，无法用前面的时延来表示光栅的时延。可以将一段光纤光栅看作一个黑匣子，只考虑入射光和反射光，而不必研究光在光栅中的传播，如图 2.2.3所示。考虑两个频率很接近的单色光，平率分别为1和2,两者均沿z方向传播，振幅均为A。，它们在光栅的始端P 截面处的光振动可表示为：A1A0 cos( 1t10), A2Ao cos( 2t20 )(2.2.2 )图2.2.3光栅原理这两个频率的光经光纤光栅反射后，由于两个频率很接近，因此，可以认为反射光的 两个振幅也相同，均为Bo,则反射光在P截面处的光振动可表示为：Bi B0 cos( 1t

39、i 10), B2 B0 cos( 2t220)(223 )1和2为因光栅的存在引起的相应延迟(1, 2 0),其合振动可表示为：B 2Bo cos tVcos( t(2.2.4 )其中,(12)/2；( 12)/2；( 12)/2；( 12)/2。可见，在 P处的反射波振动也是由慢变和快变两部分组成，慢变部分形成反射波的包络，快变部分形成反 射波的高频载波。上式可变为：(2.2.5 )(2.2.6 )B 2Bo cos (t -) -JVcos( tV0)可见，由于光栅的存在而引起的反射光波包的时延为：当 0时， 一光纤光栅的时延不同于光纤的时延，光纤的时延是指单位长度的光纤产生的时延，而

40、光纤光栅的时延则是指某一段光纤光栅产生的时延，而不是单位长度的光纤光栅产生的时 延，是指一段光纤光栅整体产生的时延。时延可进一步表示为：(2.2.7 )-12 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿利用（2.2.6 ）式或（2.2.7 ）式可以计算出光纤光栅的时延，计算出 0和相邻的某一波长的相位差，然后利用这两式计算出它们的时延在波长间隔 范围内的平均时延差为：(2.2.8 )其中，D为色散系数，即:Ddrd 022220 d0 d20 dcd02 c d 202 c d 0(2.2.9 )色散系数单位为ps/nm,这和光纤的色散系数单位不同，光纤的色散系数单位是ps/（nm - km）,它和光

41、纤的长度相联系。而光纤光栅的色散系数为ps/nm,是指光栅整体,而不是其中的某一段光栅。光纤光栅的色散特性及其应用光纤光栅从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两类，色散补偿型光栅又称为 明啾光纤光栅。叫啾可以是线性的也可以是非线性的，周期沿长度方向线性变化的光栅称 为线性明啾光栅（Linearly Chirped Fiber Grating. LCFG）由于 LCFG在色散补偿方面有重要应用价值，因此对 LCFG谱特性的研究更具现实意义。本文只研究线性明瞅光栅的 特性，后文所有的分析都是基于线性明啾的。通过数值计算可以直观看出各参数是如何影 响光栅的谱宽、反射率、中心波长以及时延等特性。在

42、光纤通信中，由于光源的光是非单色光，而调制信号有一定的宽度，或者说光是以 一定的光脉冲形式传播，所以，光纤中传输的光具有一定的波形。光在光纤中传输，受光 纤折射率分布、光纤材料色散特性、光纤模式分布等因素影响，会发生波形畸变，使通过 光纤的光的波形出现展宽现象。光纤的色散特性主要描述光纤对所传输的光信号波形的影 响。光纤色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变。显然，如果光脉冲在光纤中传输时，其 波形不变，则只要脉冲能量足够大，输出端总可以被探测并被分辨出来，但在实际中，由 于色散的存在，光脉冲会随着传播距离的增大而展宽， 致使输出的光脉冲不可分辨，因此, 色散会影响光通信的传输速率（带宽）及传输距

43、离。所以，消除色散或对色散加以补偿可 以大大提高光通信的容量和传输距离。目前，利用明啾光纤布拉格光栅对光纤色散加以补 偿是一种有效的方法。对正常的单模光纤，色散主要有两种：一是材料色散，是由纤芯材料的折射率随波长 变化而引起的；二是波导色散，是由于光纤有效折射率的波长关系与结构参数有关而产生 的，它取决于波导尺寸、折射率分布和纤芯与包层的相对折射差。一般情况下，单模光纤-13 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿的色散主要来源于材料色散。对光纤的色散进行补偿，可以用多种方法，但目前主要有两种方法：一种是利用色散 补偿光纤；另一种是明啾光纤布拉格光栅。前者通常需要较长的补偿光纤才能抵消掉，而 且存

44、在较大损耗和非线性，并且成本较高。而用明啾光纤布拉格光栅，只需用厘米级长度 的光栅就可以完成，而且光纤布拉格光栅的损耗小，制作技术已很成熟，成本可以达到很 低。通常的单模光纤约在 d 1310nm处色散为零，当口时，色散系数为正值，处于反常色散区；当d时，色散系数为负值，处于正常色散区。于是，在反常色散区，一定带宽的光信号脉冲通过光纤时，红移分量(长波长成分2)比蓝移分量(短波长成分1)传的慢，因而经历的时延大。相反，在正常色散区，红移分量比蓝移分量传得快，因而经 历的时延小。常用的光通信波长1550nm处于反常色散区。根据光栅方程可以给出曲线，可以看出，光栅的周期较大时，对应的谐振波长较大，

45、如图 2.3.1所示。利用下式也可以看出 这一点：2neff 0(1 cz)(2.3.1 )Q 5310 S30购D.5flD. SIT图2.3.1 光栅 曲线因此，若使信号光从光栅周期大的一端入射，由于光栅工作在反射状态，因耦合而引 起谐振反射，使得红移分量经过较近的距离就能被反射，而蓝移分量要经历较远的距离才能被反射，即红移分量比蓝移分量经历的时延小，即不同频率的入射光在不同地 点反射，并有不同的延迟。可见，光纤光栅以这种方式放置时的色散特性正好与常规单模 光纤的色散特性相反，能够起到色散补偿作用，如下图所示。显然，当处于正常色散区时, 光信号应该从光栅周期小的一端入射。-14 页-色散对

46、光纤通信系统的影响与补偿对包含一定带宽的光脉冲，色散的存在使得它们的传播速度不同，传播一定距离后将 弥散开，传输的距离越远，弥散得越开。因此，上述光纤光栅进行色散补偿的原理实际上 是上速度大的光多走一段距离，而速度小的少走一度距离，最终再让它们重新聚集起来， 如图所示。( A 1J图2.3.2叫啾光纤布拉格光栅的色散补偿特性明啾光纤布拉格光栅的色散补偿特性可以估计出来。如上图 2.3.2所示，设光栅的最小和最大周期分别为1和2,光栅中部周期为0 ,它们随影的反射波长分别为1、 2和0,则 c 21,21,不同波长的光在不同位置被反射，因此，在光栅中传播的距离不同。引起的时延不同。在 Z点反射的

47、光的时延为互，g为光在光纤中传播的平 g均群速度，则由式(2.3.1)可以得到波长为 光的时延为：()Ar 为,2% 12% 2(2.3.2)可见，最大时延为 皿 告。若取g备看，C为光在真空中的光速，n为纤芯的折射率，可得 max 100 PS/Cm 0式(2.3.2)只是对光栅时延特性的粗略估计，可以计算出不同参数时光栅的时延特性。 可见，在光栅的带宽范围内，短波长一边的光的时延比长波长的要大，这正好起到色散补 偿作用。本章小结本章是论文的基础部分，主要介绍了相关色散，光纤光栅以及关于色散补偿的相关 理论知识，为之后的系统模拟奠定理论原理基础。-15 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿第三

48、章OptiSystem系统仿真设计3.1 OptiSystem系统简介OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽 带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MAN密B适用。OptiSystem具有强大的模拟环境和系统的分级定义，是一个基于实际光纤通讯系统模型的 系统级模拟器。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系 列广泛使用的工具。图形用户界面控制光组件的安排和网络列表，组件模式，和图像座标， 巨大的有源和无源器件的库包括实际的、波长相关的参数，参数循环也允许使用者侦察特 定仪器在系统表现的效果，参数

49、的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性 能的影响。OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MAN羽LANS适用。它的广泛应用包括：物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计； CATWE者TDMT WDM络设计；SONET SDH的环形设计；传输器、信道、放大器和接收器 的设计；色散图设计；不同接受模式下误码率(BER和系统代价(penalty )的评估；放 大的系统BERffi连接预算计算。Optisystem环境是一种为利用元件库组建光纤通信系统，利用优化功能仿真计算系统 的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳的光纤通信系统。

50、Optisystem通过3部分来实现光纤通信系统仿真，即：器件库、光学方案图编辑器、图形演示。1、器件库(1)发射器发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、 编码器和比特序列发生器等。半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要 的发射器部件。使用OptiSystem ,用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些 参数。当使用外调制的CW爱光器时，对于明啾和衰减来说，MQWi赫一曾德尔调制器和电 吸收调制器的模型是基于测量的，并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵 敏度的最小退化。对于随即数字发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不

51、同的调制 模式和算法之间进行选择(2)光纤光纤是主要的传输通道。对于任意的WDM1号，OptiSystem采用一种非线性色散传播 的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。在很大的条件范围内， 这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素。(3)接收器-16 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。如果噪声用概率密度函 数(PSD来描述，PIN或者APD等采用基于高斯近似的准分析模型来计算噪声的作用。如 果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFDR描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。电滤波器件的内

52、部库包括实际的、频率相关的参数。在这个库中，用户可 以考虑不同滤波器形式来设计接收器。(4)网络器件复用器/解复用器，上路/下路，阵列波导光栅，静态和动态开关，循环/环形元件， 交叉连接，波长转换。(5)无源器件滤波器，调制器，耦合器，分波器，合波器，环形器，隔离器，偏振器件，光纤光栅。(6)光放大器EDFAK拉曼放大器已经成为光2T网络所需的器件，从WDIffl络转发器到CAT或线放大器，都有着广泛的应用。OptiSystem能使用户选择不同的模型，例如自定义增益和噪声 系数的理想放大器，或者是基于测量或者速率方程静态或者动态的解的黑匣子模型。通过 利用半导体激光器的多功能特性，可以完成放大

53、和波长转换。(7)观察仪客户可以在任何器件使用观察仪来打开端口数据监视器，并且存取结果。数据监视器 可以保存处理过的信号信息，而没有必要预先确定观察仪的类型。因此，一个OSA或WDM分析仪可以加在相同的监视器上，一旦一个计算完成，就不需要再次运算。库中可以利用 的观察仪包括：光/射频频谱分析仪，示波器/光时域分析仪，眼图分析仪，误码率分析 仪，WDMb析仪，功率计。2、光学方案图编辑器这个界面可以让用户快速而有效的创建和修改自己的设计。每个OptiSystem方案文件可以包含足够多的设计版本。这些设计版本可以相互独立的被计算和修改，但是来自于 不同版本的计算结果可以合并起来进行比较。3、图形演

54、示OSAi谱、示波器和眼图，探针和可视化工具列出信号功率、 增益、噪声系数和OSNR 图形生成工具可以对任何参数扫描的任意结果进行比较，直观的图形管理器使用户可以画 出设计中使用的几乎所用的参数的曲线，生成的图形组尺寸可变、视角可变换，并将这些 视图转变成可以保存和重新使用的结果方案图，将复合图合并成3D图。-17 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿3.2 OptiSystem系统运用及仿真系统一：光纤通信光信号传输中时域与频域的变化近距离光纤通信系统中光信号在传输中的时域与频域变化OptiSystem系统器件组成及连接(如图所示)：User 口/fin电dBit Sequence Gener

55、ator Optical Sptrum AnalyzerBit rate 二 Sit 目强力IEU2UOptical FibflfLength - 2 MmOptical Gaussian Pulsa Gn4morFr&quwnGy =* 193.1 THzPouer = 1 riiVVOptical Spectrum 舟mlvxjlOptbal Time Doiman Visualiser_1图近距离光纤通信系统器件组成及连接传输装置：用户定义的位序列发生器(User Defined Bit Sequence Generator )将数据流发送 到光学高斯脉冲发生器(Optical Gaus

56、sian Pulse Generator )中，输出光脉冲信号直接 通过光纤(Optical Fiber )传输。观测仪器：光谱仪(Optical Spectrum Analyzer )：从波长域(频域)上观察输出的光信号和经 光纤传输后的光信号。光时域观察仪(Optical Time Domain Visualizer )：从时域上观察输出的光信号和 经光纤传输后的光信号。系统中将光纤(Optical Fiber )传输距离为2.0Km=分别对光谱和光时域进行分析， 以检验系统的性能。分析如下： 光谱分析：-18 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿=i Optical Sptctmm Ana

57、lyzerW Oct On CftpKU- g 中1Movr gwH wi %35 加.Optical Spectrum Analyzer_1Wd Cgrtrsi Krr lorPnrhf原始光谱传输后光谱，图光谱分析1通过如上图光谱分析仪的图像，可看出5.0Km的通信距离对这个光纤通信系 统的光谱变化影响不大，信号依然同原始的信号几乎相同。光时域分析：迪 Optic al Time Domain VisualizerRtfeh 口ftgcdggriH 如eHtx Mu=e A”瑞 Optical Tim Domain Visuali2er_1Dti Cdt On CBfafed i to 训

58、哂 pr operbes52* vvth 蚓3序上叼iCKpMPp8.o号Q9 0要 0寤口目 D 8 oiwop Tmw tt)OSQOS传输后光时域，,原始光时域图3.2.1,3 光时域分析2通过图 光时域观察仪的图像，原始 Bit sequence为0101101110；则可以看 出5.0Km的光纤传输距离对光时域有着一定影响的，跟原始的图像相比，光时域有一定的 位移、变形及展宽了。综上所述，小型光纤通信系统中光谱分析不影响光信号的传输，但是从光时域的分析 来看，效果还受到一定影响。远距离光纤通信系统中光信号在传输中的时域与频域变化将系统中将光纤(Optical Fiber )传输距离为

59、20Km(见图 )。在次分别对光-19 页-色散对光纤通信系统的影响与补偿Label: Optic al Fiber谱和光时域进行分析，检验系统的性能。OptiSystem系统器件组成及连接如图不 变。rrRrrrrUsei ilefined r ef eience vwhReference waveleixjtli;加LengthEi *ZZVtt妙i，u 髓帖1、f:困H mg JAtt-ei iLivtion cltai type心心用sf白冷土.JAttenu 水 ionQ2jMj-nas 1Atteniinioai v总3工JllameVaKieUnitsMode图光纤参数调节Dia

60、p.户MID1IN 口门1.Num,Gr.Simu.TNoiseRandCost!：:LI. 00Main光谱分析:Op加,I Spectrumm ciek onta 俎建界/mwi4 黑匕依 oMtis 隔看梵 MkrM o.153口 151 1S5 1 WD 1.SFDWJivetength (m)g. 一 ，I 4, 昂 9r 吊nuwDME8 旦.Optical Spectrum Analyzer-lMd Ciel Ori Ofaietfi ，Mn 西4但4语立 IMge 00*H* wtih原始光谱传输后光谱，图 光谱分析2如上图所示，可看出20Km的通信距离对这个光纤通信系统的光谱